Il 12 maggio, in nove conferenze stampa simultanee in tutto il mondo, gli astrofisici ha rivelato la prima immagine del buco nero nel cuore della Via Lattea. All'inizio, per quanto impressionante fosse, l'immagine faticosamente prodotta dell'anello di luce attorno al pozzo di oscurità centrale della nostra galassia sembrava semplicemente provare ciò che gli esperti già si aspettavano: il buco nero supermassiccio della Via Lattea esiste, sta girando e obbedisce al teoria della relatività generale.
Eppure, a un esame più attento, le cose non si accumulano.
Dalla luminosità del bagel di luce, i ricercatori hanno stimato quanto velocemente la materia sta cadendo su Sagittarius A*, il nome dato al buco nero centrale della Via Lattea. La risposta è: non per niente in fretta. "È intasato fino a un piccolo rivolo", ha detto Priya Natarjan, un cosmologo della Yale University, paragona la galassia a un soffione rotto. In qualche modo solo un millesimo della questione che scorre nella Via Lattea dal mezzo intergalattico circostante arriva fino in fondo e nel buco. "Questo sta rivelando un problema enorme", ha detto Natarajan. “Dove sta andando questo gas? Cosa sta succedendo al flusso? È molto chiaro che la nostra comprensione della crescita dei buchi neri è sospetta".
Nell'ultimo quarto di secolo, gli astrofisici sono giunti a riconoscere quale stretta relazione dinamica esiste tra molte galassie e i buchi neri al loro centro. "C'è stata una transizione davvero enorme nel campo", afferma Ramesh Narayan, un astrofisico teorico all'Università di Harvard. "La sorpresa è stata che i buchi neri sono importanti come modellatori e controllori dell'evoluzione delle galassie".
Questi buchi giganti - concentrazioni di materia così dense che la gravità impedisce anche alla luce di fuoriuscire - sono come i motori delle galassie, ma i ricercatori stanno solo iniziando a capire come funzionano. La gravità attira polvere e gas verso il centro galattico, dove forma un disco di accrescimento vorticoso attorno al buco nero supermassiccio, riscaldandosi e trasformandosi in plasma incandescente. Quindi, quando il buco nero inghiotte questa materia (a gocce e scarichi o a raffiche improvvise), l'energia viene sputata indietro nella galassia in un processo di feedback. "Quando cresci un buco nero, produci energia e la scarichi nell'ambiente circostante in modo più efficiente rispetto a qualsiasi altro processo che conosciamo in natura", ha affermato Eliot Quaert, un astrofisico teorico alla Princeton University. Questo feedback influisce sui tassi di formazione stellare e sui modelli di flusso di gas in tutta la galassia.
Ma i ricercatori hanno solo vaghe idee sugli episodi "attivi" dei buchi neri supermassicci, che li trasformano nei cosiddetti nuclei galattici attivi (AGN). “Qual è il meccanismo di attivazione? Qual è l'interruttore di spegnimento? Queste sono le domande fondamentali a cui stiamo ancora cercando di arrivare”, ha affermato Kirsten Sala dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Il feedback stellare, che si verifica quando una stella esplode come supernova, è noto per avere effetti simili al feedback AGN su scala ridotta. Questi motori stellari sono facilmente abbastanza grandi da regolare piccole galassie "nane", mentre solo i motori giganti dei buchi neri supermassicci possono dominare l'evoluzione delle più grandi galassie "ellittiche".
Per quanto riguarda le dimensioni, la Via Lattea, una tipica galassia a spirale, si trova nel mezzo. Con pochi evidenti segni di attività al centro, a lungo si è pensato che la nostra galassia fosse dominata dal feedback stellare. Ma diverse osservazioni recenti suggeriscono che anche il feedback di AGN lo modella. Studiando i dettagli dell'interazione tra questi meccanismi di feedback nella nostra galassia natale - e affrontando enigmi come l'attuale oscurità del Sagittario A* - gli astrofisici sperano di capire come le galassie e i buchi neri coevolvono in generale. La Via Lattea "sta diventando il più potente laboratorio astrofisico", ha detto Natarajan. Fungendo da microcosmo, "può contenere la chiave".
Motori Galattici
Alla fine degli anni '1990, gli astronomi generalmente accettavano la presenza di buchi neri nei centri delle galassie. A quel punto potevano vedere abbastanza vicino a questi oggetti invisibili da dedurre la loro massa dai movimenti delle stelle intorno a loro. UN è emersa una strana correlazione: Più una galassia è massiccia, più pesante è il suo buco nero centrale. “Questo è stato particolarmente stretto ed è stato totalmente rivoluzionario. In qualche modo il buco nero sta parlando con la galassia", ha detto Tiziana Di Matteo, astrofisico alla Carnegie Mellon University.
La correlazione è sorprendente se si considera che il buco nero, per quanto grande sia, è una piccola frazione delle dimensioni della galassia. (Il Sagittario A* pesa circa 4 milioni di soli, per esempio, mentre la Via Lattea misura circa 1.5 trilioni di masse solari.) Per questo motivo, la gravità del buco nero attira con forza solo la regione più interna della galassia.
Per Martin Rees, l'astronomo reale del Regno Unito, il feedback AGN ha offerto un modo naturale per collegare il buco nero relativamente piccolo alla galassia in generale. Due decenni prima, negli anni '1970, Rees ipotizzò correttamente che i buchi neri supermassicci alimentare i getti luminosi osservato in alcune galassie lontane e luminose chiamate quasar. Lui persino proposto, insieme a Donald Lynden-Bell, che un buco nero spiegherebbe perché il centro della Via Lattea si illumina. Potrebbero essere questi i segni di un fenomeno generale che governa le dimensioni dei buchi neri supermassicci ovunque?
L'idea era che più materia ingoia un buco nero, più diventa luminoso e l'energia e lo slancio aumentati soffiano gas verso l'esterno. Alla fine, la pressione verso l'esterno impedisce al gas di cadere nel buco nero. “Questo interromperà la crescita. In un modo ondeggiante, questo era il ragionamento", ha detto Rees. O, per usare le parole di Di Matteo, «il buco nero mangia e poi ingoia». Una galassia molto grande mette più peso sul buco nero centrale, rendendo più difficile soffiare gas verso l'esterno, e quindi il buco nero diventa più grande prima di essere inghiottito.
Eppure pochi astrofisici erano convinti che l'energia della materia in caduta potesse essere espulsa in modo così drammatico. "Quando stavo facendo la mia tesi, eravamo tutti ossessionati dai buchi neri come punto di non ritorno - solo gas che entrava", ha detto Natarajan, che ha contribuito a sviluppare i primi modelli di feedback AGN come studente laureato di Rees. "Tutti hanno dovuto farlo con molta cautela e cautela perché era così radicale".
La conferma dell'idea del feedback arrivò qualche anno dopo, dalle simulazioni al computer sviluppate da Di Matteo e dagli astrofisici Volker Springel ed Lars Hernquist. "Volevamo riprodurre lo straordinario zoo di galassie che vediamo nell'universo reale", ha detto Di Matteo. Conoscevano il quadro di base: le galassie iniziano piccole e dense nell'universo primordiale. Porta avanti l'orologio e la gravità fa a pezzi questi nani in un tripudio di spettacolari fusioni, formando anelli, mulinelli, sigari e ogni forma nel mezzo. Le galassie crescono in dimensioni e varietà finché, dopo un numero sufficiente di collisioni, diventano grandi e lisce. "Finisce in un blob", ha detto Di Matteo. Nelle simulazioni, lei e i suoi colleghi potrebbero ricreare questi grandi blob senza caratteristiche, chiamati galassie ellittiche, unendo più volte le galassie a spirale. Ma c'era un problema.
Mentre le galassie a spirale come la Via Lattea hanno molte stelle giovani che brillano di blu, le galassie ellittiche giganti contengono solo stelle molto vecchie che brillano di rosso. "Sono rossi e morti", ha detto Springel, del Max Planck Institute for Astrophysics a Garching, in Germania. Ma ogni volta che il team eseguiva la simulazione, sputava ellittiche che si illuminavano di blu. Qualunque cosa stesse spegnendo la formazione stellare non era stata catturata nel loro modello al computer.
Quindi, ha detto Springel, "abbiamo avuto l'idea di aumentare le fusioni delle nostre galassie con buchi neri supermassicci al centro. Lasciamo che questi buchi neri ingeriscano gas e rilascino energia fino a quando l'intera cosa non volò via, come una pentola a pressione. Improvvisamente, la galassia ellittica fermerebbe la formazione stellare e diventerebbe rossa e morta".
"Mi è caduta la mascella", ha aggiunto. "Non ci aspettavamo che [l'effetto] fosse così estremo".
Riproducendo ellittiche rosse e morte, la simulazione ha rafforzato le teorie del feedback sui buchi neri di Rees e Natarajan. Un buco nero, nonostante le sue dimensioni relativamente piccole, può parlare alla galassia nel suo insieme attraverso il feedback. Negli ultimi due decenni, i modelli computerizzati sono stati perfezionati e ampliati per simulare vaste aree del cosmo e corrispondono ampiamente all'eclettico zoo di galassie che vediamo intorno a noi. Queste simulazioni mostrano anche che l'energia espulsa dai buchi neri riempie lo spazio tra le galassie con gas caldo che altrimenti dovrebbe essersi già raffreddato e trasformato in stelle. "La gente è ormai convinta che i buchi neri supermassicci siano motori molto plausibili", ha detto Springel. "Nessuno ha ideato un modello di successo senza buchi neri".
Misteri del feedback
Eppure le simulazioni al computer sono ancora sorprendentemente schiette.
Quando la materia si insinua verso l'interno del disco di accrescimento attorno a un buco nero, l'attrito fa sì che l'energia venga respinta all'esterno; la quantità di energia persa in questo modo è qualcosa che i programmatori mettono manualmente nelle loro simulazioni attraverso tentativi ed errori. È un segno che i dettagli sono ancora sfuggenti. "C'è la possibilità che in alcuni casi otteniamo la risposta giusta per il motivo sbagliato", ha affermato Quataert. "Forse non stiamo catturando quella che è effettivamente la cosa più importante su come crescono i buchi neri e su come scaricano energia nell'ambiente circostante".
La verità è che gli astrofisici non sanno davvero come funziona il feedback AGN. “Sappiamo quanto sia importante. Ma ci sta sfuggendo esattamente ciò che causa questo feedback”, ha affermato Di Matteo. "Il problema chiave, chiave è che non comprendiamo il feedback in modo profondo, fisicamente".
Sanno che una parte dell'energia viene emessa sotto forma di radiazione, che conferisce ai centri delle galassie attive il loro caratteristico bagliore luminoso. Forti campi magnetici fanno sì che la materia fuoriesca anche dal disco di accrescimento, sia sotto forma di venti galattici diffusi che in potenti getti stretti. Il meccanismo attraverso il quale si pensa che i buchi neri lancino dei getti, chiamato il Processo Blandford-Znajek, è stato identificato negli anni '1970, ma ciò che determina la potenza del raggio e quanta della sua energia viene assorbita dalla galassia è "ancora un problema aperto e irrisolto", ha detto Narayan. Il vento galattico, che emana sfericamente dal disco di accrescimento e quindi tende a interagire più direttamente con la galassia rispetto ai getti stretti, è ancora più misterioso. "La domanda da un miliardo di dollari è: come si accoppia l'energia al gas?" disse Springel.
Un segno che c'è ancora un problema è che i buchi neri nelle simulazioni cosmologiche all'avanguardia finiscono inferiore rispetto alle dimensioni osservate dei veri buchi neri supermassicci in alcuni sistemi. Per disattivare la formazione stellare e creare galassie rosse e morte, le simulazioni hanno bisogno che i buchi neri espellano così tanta energia da soffocare il flusso di materia verso l'interno, in modo che i buchi neri smettano di crescere. “Il feedback nelle simulazioni è troppo aggressivo; arresta la crescita prematuramente", ha detto Natarajan.
La Via Lattea esemplifica il problema opposto: le simulazioni in genere prevedono che una galassia delle sue dimensioni dovrebbe avere un buco nero da tre a 10 volte più grande del Sagittario A*.
Dando un'occhiata più da vicino alla Via Lattea e alle galassie vicine, i ricercatori sperano che possiamo iniziare a svelare esattamente come funziona il feedback AGN.
Ecosistema della Via Lattea
Nel dicembre 2020, i ricercatori del telescopio a raggi X eROSITA hanno riferito di sì avvistato un paio di bolle che si estende per decine di migliaia di anni luce sopra e sotto la Via Lattea. Le vaste bolle di raggi X somigliavano a bolle altrettanto sconcertanti di raggi gamma che, 10 anni prima, il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi aveva rilevato emanare dalla galassia.
Due teorie sull'origine delle bolle di Fermi erano ancora oggetto di accesi dibattiti. Alcuni astrofisici hanno suggerito che fossero la reliquia di un jet schizzato fuori dal Sagittario A* milioni di anni fa. Altri pensavano che le bolle fossero l'energia accumulata da molte stelle che esplodono vicino al centro galattico, una sorta di feedback stellare.
Quando Hsiang Yi Karen Yang della National Tsing Hua University di Taiwan ha visto l'immagine delle bolle di raggi X eROSITA e ha "iniziato a saltare su e giù". Era chiaro a Yang che i raggi X avrebbero potuto avere un'origine comune con i raggi gamma se entrambi fossero stati generati dallo stesso getto AGN. (I raggi X proverrebbero dal gas sotto shock nella Via Lattea piuttosto che dal getto stesso.) Insieme ai coautori Elena Zweibel ed Mateusz Ruszkowski, ha iniziato a costruire un modello al computer. I risultati, pubblicato nella Astrofisica della natura la scorsa primavera, non solo replicano la forma delle bolle osservate e un luminoso fronte d'urto, ma prevedono che si siano formate nel corso di 2.6 milioni di anni (espandendosi verso l'esterno da un getto attivo per 100,000 anni) — troppo rapidamente per essere spiegato da un feedback stellare.
La scoperta suggerisce che il feedback dell'AGN potrebbe essere molto più importante nelle galassie a disco comuni come la Via Lattea di quanto i ricercatori fossero soliti pensare. L'immagine che sta emergendo è simile a quella di un ecosistema, ha detto Yang, in cui l'AGN e il feedback stellare sono intrecciati con il gas caldo e diffuso che circonda le galassie, chiamato mezzo circumgalattico. Diversi effetti e modelli di flusso domineranno in diversi tipi di galassie e in momenti diversi.
Un caso di studio del passato e del presente della Via Lattea potrebbe svelare l'interazione di questi processi. Il telescopio spaziale europeo Gaia, ad esempio, ha mappato le posizioni e i movimenti precisi di milioni di stelle della Via Lattea, consentendo agli astrofisici di ripercorrere la storia delle sue fusioni con galassie più piccole. È stato ipotizzato che tali eventi di fusione attivino i buchi neri supermassicci scuotendo la materia al loro interno, facendoli illuminare improvvisamente e persino lanciando getti. "C'è un grande dibattito sul campo sull'importanza o meno delle fusioni", ha affermato Quataert. I dati della stella Gaia suggerisce che la Via Lattea non ha subito una fusione nel momento in cui si sono formate le bolle di Fermi ed eROSITA, sfavorendo le fusioni come gli inneschi del getto AGN.
In alternativa, è possibile che chiazze di gas entrino in collisione con il buco nero e lo attivino. Potrebbe passare in modo caotico tra mangiare, sputare energia sotto forma di getti e venti galattici e fermarsi.
La recente immagine del Sagittario A* dell'Event Horizon Telescope, che rivela il suo attuale rivolo di materia in caduta, presenta un nuovo enigma da risolvere. Gli astrofisici sapevano già che non tutto il gas che viene attirato in una galassia arriverà all'orizzonte del buco nero, poiché i venti galattici spingono verso l'esterno contro questo flusso di accrescimento. Ma la forza dei venti richiesta per spiegare un flusso così estremamente affusolato non è realistica. "Quando faccio simulazioni, non vedo un vento enorme", ha detto Narayan. "Non è il tipo di vento di cui hai bisogno per una spiegazione completa di quello che sta succedendo."
Simulazioni annidate
Parte della sfida nel capire come funzionano le galassie è l'enorme differenza tra le scale di lunghezza in gioco nelle stelle e nei buchi neri e le scale di intere galassie e dei loro dintorni. Quando si simula un processo fisico su un computer, i ricercatori scelgono una scala e includono effetti rilevanti su quella scala. Ma nelle galassie, gli effetti grandi e piccoli interagiscono.
"Il buco nero è davvero minuscolo, rispetto alla grande galassia, e non puoi metterli tutti in un'unica enorme simulazione", ha detto Narayan. "Ogni regime ha bisogno di informazioni dall'altro ragazzo, ma non sa come stabilire la connessione".
Per cercare di colmare questa lacuna, Narayan, Natarajan e colleghi stanno lanciando un progetto che utilizzerà simulazioni nidificate per costruire un modello coerente di come il gas scorre attraverso la Via Lattea e la vicina galassia attiva Messier 87. “Permetti alle informazioni di provenire dalla galassia per dire al buco nero cosa fare, e poi permettere alle informazioni dal buco nero di tornare indietro e dire alla galassia cosa fare”, ha detto Narayan. "È un anello che gira e gira".
Le simulazioni dovrebbero aiutare a chiarire il modello di flusso del gas diffuso dentro e intorno alle galassie. (Anche ulteriori osservazioni del mezzo circumgalattico da parte del telescopio spaziale James Webb aiuteranno.) "Questa è una parte fondamentale dell'intero ecosistema", ha detto Quataert. "Come fai a far scendere il gas nel buco nero per far uscire tutta l'energia che esce?"
Fondamentalmente, nel nuovo schema, tutti gli input e gli output tra le simulazioni di scale diverse devono essere coerenti, lasciando un minor numero di quadranti da girare. "Se la simulazione è impostata correttamente, deciderà in modo autocostante quanto gas dovrebbe raggiungere il buco nero", ha detto Narayan. “Possiamo esaminarlo e chiederci: perché non ha mangiato tutto il gas? Perché era così esigente e consumava così poco del gas disponibile?" Il gruppo spera di creare una serie di istantanee delle galassie durante le diverse fasi della loro evoluzione.
Per ora, gran parte di questi ecosistemi galattici è ancora un'intuizione. "È davvero una nuova era, in cui le persone iniziano a pensare a questi scenari sovrapposti", ha detto Yang. “Non ho una risposta chiara, ma spero di farlo tra qualche anno”.
Nota del redattore: Priya Natarajan attualmente fa parte del comitato consultivo scientifico di Quanta.
